Zapraszam do lektury dalszego ciągu podręcznika użytkowania zestawu U-238 Atomic Energy Lab, który omawiałem w ostatnim wpisie.
ROZDZIAŁ II
SPOTKANIE Z KOMORĄ MGIEŁKOWĄ
Ze wszystkich instrumentów do badań atomowych, Komora Mgłowa Gilberta jest najbardziej imponująca ze względu na swoją zdolność do pokazywania natury radioaktywności. Możesz się zastanawiać, dlaczego czekaliśmy aż do teraz z omówieniem jej zastosowania. Powodem jest to, że chcieliśmy najpierw przedstawić Państwu promieniowanie gamma, zanim przejdziemy do opisu innych rodzajów promieniowania. Zdarza się, że Komora Mgłowa nie pokazuje śladów promieniowania gamma.
Oto jak złożona jest Komnata Mgłowa.
1) Rozłóż kilka gazet lub folię na płaskim stole, aby służyła jako miejsce pracy. Papiery ochronią meble w przypadku rozlania alkoholu lub atramentu. Na stole umieść aluminiową podstawę komory chmurowej (okrągłą płytę z trzema nogami).
Rysunek 2-1.
KOMORA MGŁOWA GILBERTA, GOTOWA DO EKSPLOATACJI
2) Przymocuj gumowy blok montażowy (cylindryczną krawędzią skierowaną do góry) do spodniej części podstawy. (Patrz rysunek 2-2.)
3) Włóż metalową rurkę do gumowego bloku montażowego, długim końcem rurki skierowanym do góry. (Patrz rysunek 2-2.)
4) Do rurki wystającej spodu podstawy przymocuj goły koniec czarnego przewodu oraz plastikową rurkę i gumową gruszkę. Upewnij się, że wszystkie połączenia są szczelne, ponieważ muszą one utrzymywać ciecz bez przeciekania. (Patrz rysunek 2-2).
Rysunek 2.2.
WIDOK OD DOŁU KOMORY MGŁOWEJ GILBERTA
5) Umieść duży korek w szyjce szklanej kolby. Zwilż koniec metalowej rurki, który przechodzi przez dno i delikatnie wkręcając, ściśnij gumowy korek (w kolbie pyreksowej) na metalowej rurce. Upewnij się, że rurka jest zwilżona, w przeciwnym razie nałożenie kolby na rurkę będzie bardzo trudne. Upewnij się, że kolba stoi teraz stabilnie na podstawie i że połączenie jest szczelne. (Patrz rysunek 2-3).
6) Następnie wyjmij korek z górnej części kolby i za pomocą małego lejka dołączonego do zestawu wlej do górnego otworu kolby około pół litra alkoholu izopropylowego. Dowolna marka alkoholu izopropylowego, z wyjątkiem alkoholu aromatycznego, jest odpowiednia. Najlepsze rezultaty daje 70% roztwór alkoholu izopropylowego. Pół litra alkoholu powinno wypełnić komorę kolby do poziomu otworu bocznego.
Rysunek 2-3.
ZABEZPIECZANIE KOLBKI KOMORY MGŁOWEJ
Rysunek 2.4.
SYSTEM OŚWIETLENIOWY I ZESTAW OGNIW GILBERT DRI-ELECTRIC
7) Kilkakrotnie naciśnij szarą gumową gruszkę, aby usunąć powietrze z układu i sprawdź szczelność wszystkich połączeń. Alkohol może uszkodzić niektóre wykończenia mebli, dlatego należy zachować ostrożność podczas jego stosowania. Podczas naciskania szarej gruszki alkohol może zostać wtłoczony ponad poziom otworu bocznego; aby zapobiec wyciekom, w tym momencie mocno wciśnij gumowy korek (jest on zamocowany w kolbie) w otwór z boku kolby.
8) Teraz dodaj kilka kropli niebiesko-czarnego atramentu do alkoholu. Możesz to zrobić za pomocą pióra wiecznego. Włóż je do górnej części kolby. Należy dodać wystarczającą ilość atramentu, aby zabarwić płynne medium na niebiesko. Zwykły atrament w zupełności wystarczy do tego celu.
9) Załóż z powrotem zatyczkę w górnej części komory.
10) Złóż system oświetleniowy zgodnie z ilustracją. (Patrz rysunek 2-1). Przed wciśnięciem aluminiowych nóżek na miejsce, zwilż gumowe przelotki. Wyrównaj lampy tak, aby środek obudowy lampy znajdował się mniej więcej na poziomie cieczy. Wyreguluj obudowy lamp tak, aby obie lampy były skierowane na środek komory.
11) Podłącz oba czarne przewody z obudowy lampy do jednego zacisku zasilacza Dri-electric. Następnie podłącz żółte przewody do drugiego zacisku. (Patrz rysunek 2-4). Oba światła powinny teraz świecić i można ponownie wyregulować wiązki światła, aby komora była w pełni oświetlona.
12) Pozostał już tylko dejonizator. Podłącz czerwony przewód dejonizatora do metalowego wypustu na gumowym korku kolby. Podłącz czarny przewód od spodu podstawy komory chmurowej do czarnego otworu z boku dejonizatora. Teraz podłącz wtyczkę serwisową do gniazdka elektrycznego – komora chmurowa jest gotowa do pracy.
Teraz, gdy wszystko jest w porządku, ściśnij szarą gumową gruszkę, wymuszając uniesienie się cieczy w komorze. Rób to dość powoli, naciskając gruszkę jednostajnym ruchem. W przeciwnym razie ciecz gwałtownie wytryśnie, co jest niepożądane. Odrobina praktyki pozwoli Ci kontrolować równomierne sprężanie komory. Mówimy „sprężanie”, ponieważ wtłaczając ciecz do kolby, uwięzione powietrze jest wypychane do mniejszej przestrzeni, a tym samym ulega sprężeniu. Szybkie zwolnienie gruszki powoduje spadek poziomu cieczy i rozprężenie gazu.
Jeśli ściśniesz gumową gruszkę, odczekasz chwilę, aż płyn przestanie się poruszać, a następnie puścisz gruszkę, zobaczysz, że drobna mgiełka lub mgła wypełnia przestrzeń powietrzną w komorze. Obserwuj, jak łagodnie opada mgła. Jeśli nie zauważysz tworzenia się mgły, upewnij się, że spełniasz dwie warunki. Po pierwsze, upewnij się, że robisz przerwę po ściśnięciu gruszki. Po drugie, może się zdarzyć, że nie ścisnąłeś jej wystarczająco mocno. Spróbuj tego, a jeśli po kilku próbach nadal nie wytworzysz mgły, prawdopodobnie oznacza to, że w komorze jest za mało płynu. Dodaj kilka uncji alkoholu do komory, a powinieneś być w stanie wytworzyć mgłę.
Jeśli dwa gumowe korki na górze i z boku szklanej kolby są tak luźne, że podczas ściskania gruszki uchodzi z nich powietrze, urządzenie nigdy nie będzie działać prawidłowo. Aby temu zaradzić, zwilż korki i mocno wkręć je do kolby.
Dlaczego w Komorze Mgłowej powstaje mgła? Mgła powstaje w komorze z dokładnie tego samego powodu, co na zewnątrz. Drobne kropelki wody kondensują się na niewidocznych drobinkach kurzu. W przypadku Komory Mgłowej, rozszerzanie się powietrza powoduje jego ochłodzenie, a powietrze zawiera tak dużo pary wodnej (w niewidocznej postaci), że najmniejsze zaburzenie powoduje kondensację tej pary w małe kropelki wody, które są następnie widoczne jako mgła. Bardzo drobne cząsteczki brudu i kurzu w powietrzu wystarczą, aby para wodna skropliła się na tych drobnych cząsteczkach. Właśnie to dzieje się w Komorze Mgielnej, gdy ją ściskamy i rozprężamy.
W przypadku obecności materiałów radioaktywnych, takich jak aktywny drut w komorze Gilberta, emitujących promieniowanie do gazu, obecne będą rozbite atomy lub jony, które również zapoczątkują tworzenie się mgły. Jeśli jony poruszają się wzdłuż ścieżki, mgła utworzy się wzdłuż ścieżki i sprawi, że będzie ona widoczna, pokazując nam miejsce, w którym promień radioaktywny przeleciał przez kolbę ułamek sekundy wcześniej. Będzie to wyglądać jak smugi kondensacyjne, które czasami tworzą wysoko latające samoloty na bezchmurnym niebie.
EKSPERYMENTY Z MGŁĄ
Zanim rozpoczniemy nasze eksperymenty z chmurami śladów cząstek, zobaczmy, czego możemy się dowiedzieć o samej mgle. Najpierw pokażmy, że cząstek, na których tworzy się mgła, w rzeczywistości nie widać. Aby to zrobić, rozszerz komorę kilka razy, aż mgła stanie się rzadsza i wyraźnie dostrzeżesz wirujące linie wewnątrz mgły, gdy opada ona w kierunku powierzchni cieczy. Teraz rozszerz komorę, powodując powstanie mgły, a następnie, zanim mgła zniknie, ponownie ściśnij komorę, aż cała mgła zniknie. Następnie puść gumową gruszkę i zauważ, że widoczna mgła formuje się wzdłuż tych samych wirujących linii, co poprzednio. Oczywiste jest, że te niewidzialne cząstki muszą znajdować się w komorze, gdy nie ma mgły. Nasz eksperyment wychwytuje niewidzialne cząstki i uwidacznia je poprzez tworzenie na nich kropelek.
Rysunek 2-5.
ZBLIŻENIE ŚLADÓW CZĄSTEK ALFA W KOMORZE MGŁOWEJ GILBERTA. CZĄSTKI ALFA PORUSZAJĄ SIĘ Z PRĘDKOŚCIĄ 3 600 000 MIL NA GODZINĘ.
Możemy również użyć naszej komory, aby uzyskać superczyste powietrze. W tym celu ściskamy gruszkę kilka razy, pozwalając mgle opadać do cieczy po każdym ściśnięciu. Stopniowo mgła będzie się rozrzedzać i po pewnym czasie przestanie się tworzyć. W tym czasie powietrze nad powierzchnią cieczy będzie superczyste, znacznie czystsze niż powietrze, które można znaleźć w najczystszy dzień.
Inną sztuczką, którą możemy wykonać za pomocą komory, jest stworzenie kolorów wschodu i zachodu słońca. Każdy z nas kiedyś zachwycał się wspaniałym pokazem barw wschodu i zachodu słońca. Kolory te są jeszcze piękniejsze, gdy pojawiają się na chmurach nad horyzontem. Drobne kropelki wody, z których zbudowane są chmury, rozpraszają promienie światła i tworzą wiele odcieni. Możesz stworzyć te kolory zachodu słońca w bardzo małej skali w swojej komorze chmurowej. Spójrz do komory tak, aby patrzeć niemal bezpośrednio na jedno ze świateł, a następnie ściśnij żarówkę do końca i obserwuj kolory wytwarzane we mgle. Lepsze rezultaty można uzyskać, używając tylko jednego suchego ogniwa do zasilania lamp.
ŚLEDZENIE CZĄSTEK ALFA
Ustal położenie radioaktywnego przewodu, przesuwając delikatnie gumową zatyczkę w jedną lub drugą stronę; upewnij się, że koniec przewodu jest skierowany do góry i równo z powierzchnią alkoholu po ściśnięciu gruszki. Naciśnij i szybko zwolnij gumową gruszkę kilka razy; pozwoli to oczyścić komorę i przygotować urządzenie do pracy. Naciśnij gumową gruszkę. Naciśnij czarny przycisk na dejonizatorze i przytrzymaj go przez chwilę. Puść przycisk i szybko zwolnij gumową gruszkę. Obserwuj gęste, białe smugi, które promieniście rozchodzą się z przewodu. (Patrz rysunek 2-5).
Uzyskanie dobrych, wyraźnych śladów wymaga większej staranności niż samo wytwarzanie mgły w komorze. Będziesz musiał spróbować kilka razy, zanim nabierzesz wprawy w tworzeniu śladów alfa. Po ustawieniu źródła promieniowania alfa (radioaktywnego drutu w kolbie), tak aby ani za dużo, ani za mało cząstek nie wydostawało się do przestrzeni powietrznej kolby, możesz zmienić stopień sprężania powietrza, ściskając gumową gruszkę. Podnosząc koniec radioaktywnego drutu, możesz pozwolić na ucieczkę większej liczby cząstek alfa do przestrzeni powietrznej.
Nasze źródło, radioaktywny drut, wystrzeliwuje około 740 cząstek alfa na sekundę. Nie wszystkie z nich wydostają się z powierzchni drutu, a wiele z nich jest absorbowanych przez ciecz, więc po rozszerzeniu komory widać tylko kilka z wielu cząstek wystrzeliwanych w ciągu każdej sekundy ze źródła.
CZY CZĄSTKI ALFA POCHODZĄ Z DRUTU?
Jeśli wątpisz, że cząstki alfa rzeczywiście są wystrzeliwane przez źródło przewodowe, możesz łatwo się o tym przekonać, wykonując bardzo prosty eksperyment. Na tym etapie eksperymentu powinieneś rozwijać dociekliwe podejście do eksperymentów, zanim zostaną one opisane w sposób przypominający książkę kucharską.
Jeśli masz wątpliwości co do stwierdzenia, że cząstki alfa rzeczywiście pochodzą ze źródła (przewodu radioaktywnego), powinieneś zadać sobie pytanie: Jakie fakty
26
Czy muszę to udowadniać? Po pierwsze, z naszych eksperymentów wiesz, że ślady alfa zdają się zaczynać na końcu drutu. Po drugie, wiesz, że im więcej drutu jest odsłoniętego, tym więcej śladów alfa jest w kolbie. Na koniec, możesz całkowicie pokryć drut płynem. Po wykonaniu tej czynności wszystkie ślady alfa powinny zniknąć z komory.
Możesz wyciągnąć jeszcze jeden wniosek z przeprowadzonego eksperymentu. Ponieważ pozwoliłeś, aby między drutem znalazła się tylko cienka warstwa cieczy z przestrzeni powietrznej1, widać, że cząstki alfa są łatwo wchłaniane przez ciecz.
ZAKRES CZĄSTEK ALFA
Jedno to powiedzieć, że cząstki alfa są łatwo absorbowane w materii, a drugie opisać tę absorpcję tak, aby każdy mógł mówić o tym samym. Zobaczmy, jak moglibyśmy zdefiniować jednostki, w których można mierzyć absorpcję alfa. Rozszerzając komorę i obserwując ślady cząstek alfa, pierwszą rzeczą, którą zauważysz, jest ich prostoliniowość. Jeśli przyjrzymy się śladom alfa bardzo uważnie, zobaczymy, że ślady naprawdę kończą się w gazie komory. Dostosuj swoje źródło promieniowania alfa (radioaktywny drut) tak, aby znajdowało się znacznie powyżej poziomu cieczy i zauważ, że wiele śladów wystrzeliwuje jak kolce u jeżozwierza i, podobnie jak te kolce, wszystkie mają mniej więcej tę samą długość. Większość śladów wydaje się sięgać około pół cala od ścianki szklanej kolby. Jeśli oszacujemy odległość, jaką pokonuje każdy ślad, okaże się, że wynosi ona około 1-1/2 cala.
Ponieważ wszystkie ślady wydają się mieć mniej więcej taką samą długość, możemy przyjąć za jednostkę miary absorpcji cząstek alfa liczbę cali, jaką cząstka pokonuje przed zatrzymaniem się; odległość tę nazywamy zasięgiem cząstki alfa.
ABSORBOWANIE CZĄSTEK ALFA W CIAŁACH STAŁYCH
Ten eksperyment wymaga od Ciebie pewnych umiejętności, ale powinieneś być w stanie przeprowadzić go bez większych problemów. Postaramy się pokazać, że cząstki alfa wystrzeliwane przez radioaktywny drut nie mogą przeniknąć nawet przez bardzo cienką folię aluminiową.
Aby prawidłowo wykonać folię, wybierz najcieńszą folię aluminiową lub metalową, jaką możesz znaleźć, a następnie uformuj ją wokół tępego końca dużej igły, tworząc nasadkę, którą można nasunąć na końcówkę radioaktywnego drutu. Nałóż nasadkę o długości około pół cala (1,25 cm) i delikatnie nasuń ją na koniec radioaktywnego drutu w komorze mgłowej. Teraz ostrożnie włóż ją z powrotem do komory i dopasuj końcówkę jak poprzednio. Rozszerz komorę kilka razy i sprawdź, czy zauważysz cząstki alfa. Żadne cząstki alfa nie powinny przedostać się przez metalową nasadkę. Twój eksperyment dowodzi, że nawet bardzo cienka folia skutecznie pochłania cząstki alfa.
Uwaga! Podczas korzystania ze źródła promieniowania alfa w komorze mgłowej w tym eksperymencie należy zachować ostrożność. Nie należy odłamywać końcówki ani w żaden inny sposób uszkadzać przewodu radioaktywnego. Jeśli pozostawiasz sprzęt na dłuższy czas, upewnij się, że źródło znajduje się w komorze mgłowej.
FOTOGRAFIA KOMORY CHMUROWEJ
Zdjęcia zazwyczaj wykonuje się za pomocą dużej komory mgłowej, takiej jak przedstawiona na rysunku 2-6. Pokazana komora mgłowa jest znacznie większa niż komora Gilberta i ma kształt cylindryczny. Na górze aparatu znajduje się szklany cylinder, który pełni funkcję komory rozprężeniowej. Sprzęt pokazany poniżej komory służy do rozprężania komory i kontrolowania tego rozprężania.
Zazwyczaj umieszcza się bardzo silne światła wokół komory, a następnie mechanizm, który miga nimi przez ułamek sekundy, tuż po rozszerzeniu komory, jest uruchamiany. Następnie kamera fotografuje ślady. Jeszcze inny typ komory mgłowej pokazano na rysunku 2-7.
Zbudowana na Uniwersytecie Minnesoty, ta prostokątna komora to cud pomysłowości, ponieważ działa zawieszona na ogromnych balonach, które wznoszą się na wysokość nawet 30 000 metrów nad poziomem morza. Tutaj, na rajskim polu łowieckim promieni kosmicznych, sprzęt wykonuje wiele operacji i fotografuje promienie kosmiczne przechodzące przez komorę. Następnie sprzęt opada na ziemię na spadochronach, a film w kamerze jest wywoływany, aby ukazać ślady promieni kosmicznych, które występują 32 kilometry nad ziemią w stratosferze.
Na rysunku 2-7 widać licznik Geigera umieszczony nad komorą. Choć go nie widać, pod komorą znajduje się również kolejny. Oba urządzenia tworzą teleskop, który służy jako detektor, wykrywając przechodzenie przez komorę określonego rodzaju promieniowania kosmicznego. Gdy licznik Geigera wykryje promień, uruchamia kamerę, która wykonuje zdjęcie promienia przechodzącego przez komorę.
Rysunek 2-6.
NOWOCZESNA KOMORA MGŁOWA DO BADAŃ.
Zdjęcie przedstawia cylindryczną komorę używaną na Uniwersytecie Columbia. Szczegóły w tekście.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Uniwersytetu Columbia.
Rysunek 2-7.
KOMORA CHMUROWA DO UŻYTKU W STRATOSFERZE.
Urządzenie jest całkowicie automatyczne i wykorzystuje licznik Geigera do „wyzwolenia” ekspansji. Po wysłaniu w górę w gondoli balonu, urządzenie jest zamknięte w aluminiowej kuli o średnicy około 1,2 metra.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Wydziału Fizyki Uniwersytetu Minnesoty.
CZĄSTKI BETA w KOMORZE MGŁOWEJ
Wymaga pewnych umiejętności, aby wyregulować komorę chmurową Gilberta tak, aby uzyskać odpowiednią ilość cieczy i właściwe rozszerzenie, aby uzyskać dobre, wyraźne ślady beta. Ślady alfa (jak niewątpliwie odkryłeś) są łatwe do zobaczenia w komorze. Obróć gumowy korek, który trzyma źródło alfa, tak aby źródło alfa było zanurzone w cieczy. Następnie zamontuj źródło beta na szklanej ścianie komory za pomocą taśmy klejącej. Zobacz 1f, możesz wykryć ślady beta. Wypróbuj również źródło beta w odległości około 30 cm i na poziomie cieczy. Wiele cząstek beta zostanie pochłoniętych przez szklaną ścianę komory, ale ponieważ nasze źródło beta wytwarza bardzo energetyczne promienie, możesz być pewien, że całkiem sporo z nich przejdzie do komory. Nie bądź zbyt rozczarowany, jeśli nie zobaczysz śladów beta. Będzie to osiągnięcie, jeśli je zobaczysz.
Możesz zwiększyć widoczność śladów cząstek, „podkręcając” światło w komorze. Jednym ze sposobów jest zdobycie pary żarówek samochodowych i włożenie ich w miejsce żarówek latarki. (Wymaga to baterii 6 V). Zamiast trzymać je włączone przez cały czas, możesz umieścić przełącznik w obwodzie lampy, aby migały światłami, gdy komora się rozszerza.
C.d.n.
